Biologie

Die Erkenntnisgewinnung (EG) im Biologieunterricht orientiert sich am naturwissenschaftlichen Erkenntnisweg und an den fachspezifischen Arbeitsweisen. In der direkten Begegnung mit der Natur gewinnen die Schülerinnen und Schüler durch das Beobachten, Beschreiben und Vergleichen Kenntnisse über biologische Phänomene und Zusammenhänge. Komplexere Sachverhalte lassen sich durch Abstraktion und Beschränkung auf die wesentlichen Aspekte sowie den Einsatz von Medien erschließen. Der Biologieunterricht geht von Phänomenen und daraus ableitbaren Fragestellungen aus. Die Schülerinnen und Schüler stellen Hypothesen auf, planen Untersuchungen und Experimente und führen sie durch. Durch die Auswertung der Versuchsergebnisse erhalten sie Antworten auf Problemstellungen. Der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg wird bereits in den Schuljahrgängen 5 und 6 an einfachen Beispielen genutzt und gewinnt in den folgenden Klassenstufen an Komplexität (vgl. Kerncurriculum).

Der Biologieunterricht fördert die allgemeine und fachliche Kommunikationskompetenz (KK) der Schülerinnen und Schüler. In der Auseinandersetzung mit biologischen Inhalten bedienen sie sich zunächst ihrer Alltagssprache. Sie bringen ihre eigenen Vorstellungen, Vorkenntnisse und Ideen ein und tauschen sich im Lernprozess aus. Die Schülerinnen und Schüler lernen zunehmend, sich in der Fachsprache mündlich und schriftlich über Phänomene und Sachverhalte differenziert und sachgerecht auszudrücken. Sie verwenden und verarbeiten vielfältige Informationsträger wie Texte, Grafiken, Symbole, Formeln und Gleichungen. Als Informationsquellen nutzen sie verschiedene Medien, werten Quellen aus und präsentieren ihre Ergebnisse adressatengerecht. Informationsquellen werden kontinuierlich genutzt, um zu den jeweiligen Inhalten Berufsfelder zu erkunden und darzustellen (vgl. Kerncurriculum).

Dem Kompetenzbereich Bewertung (BW) kommt im Biologieunterricht eine besondere Bedeutung zu, da der Mensch in der Verantwortung steht, auf der Grundlage eines fundierten biologischen Fachwissens Bewertungen vorzunehmen. Themen der angewandten Biologie lassen häufig mehrere Lösungs- und Gestaltungsmöglichkeiten zu, so dass Entscheidungen erforderlich sind. Deshalb berücksichtigt der Biologieunterricht neben der fachbezogenen Auseinandersetzung mit den Inhalten auch die ethischen Aspekte des jeweiligen Themas. Dazu ist es nötig, Argumente zu sammeln, diese im fachlichen und ethischen Kontext zu überprüfen und zu gewichten. So sind die Schülerinnen und Schüler auch in Zukunft in der Lage, persönliche Entscheidungen zu treffen und am gesellschaftlichen Diskurs teilzunehmen (vgl. Kerncurriculum).

Die Biologie betrachtet die lebendige Natur systemisch. Zu den lebendigen Systemen gehören Zelle, Gewebe, Organ, Organismus, Ökosystem und die Biosphäre (vgl. Kerncurriculum).

Im Kompetenzbereich Struktur und Funktion geht es um das Erfassen, Ordnen und Wiedererkennen von Strukturen. Dies ist die Grundlage für das Verständnis der Funktion und Entwicklung von Biosystemen (vgl. Kerncurriculum).

Lebendige Systeme verändern und entwickeln sich. Es wird zwischen der Individualentwicklung und der evolutionären Entwicklung unterschieden. Für die Erklärung biologischer Phänomene kommt der stammesgeschichtlichen Entwicklung eine besondere Bedeutung zu (vgl. Kerncurriculum).

Problemorientierter naturwissenschaftlicher Unterricht erweitert kontinuierlich und kumulativ die Fähigkeiten der Schülerinnen und Schüler, naturwissenschaftliche Fragen als solche zu erkennen und mit geeigneten fachspezifischen Verfahren zu lösen. Dabei geht es im Wesentlichen um den Umgang mit Problemlösestrategien und um fachspezifische Arbeitstechniken. Besonders bedeutsam ist das hypothesengeleitete Experimentieren; schrittweise wird die Fähigkeit der Lernenden zur eigenständigen systematischen Planung aussagekräftiger Experimente entwickelt. Neben dem
Experimentieren spielt in der Biologie das Beobachten von Naturphänomenen eine wesentliche Rolle. Beiden zentralen Kompetenzen liegt der naturwissenschaftliche Erkenntnisweg nach dem hypothetisch-deduktiven Verfahren zugrunde (vgl. Kerncurriculum).

Unterrichtliches und alltägliches Handeln setzt die Fähigkeit zur Kommunikation voraus. Im naturwissenschaftlichen Unterricht müssen die Schülerinnen und Schüler dazu einen sicheren Umgang mit der Fachsprache entwickeln. Dies geschieht im sozialen, kooperativen Miteinander, z. B. beim Experimentieren in Gruppen oder bei der Diskussion im Klassenverband, wenn es um das Verständnis und die Anwendung naturwissenschaftlicher Fachbegriffe, Erkenntnisse und Untersuchungen geht. Die Dokumentation und Präsentation von Ergebnissen soll mit einem angemessenen Medieneinsatz unterstützt werden. Dazu gehört ins-besondere auch der Einsatz multimedialer Präsentationstechniken (vgl. Kerncurriculum).

Aktuelle Themen angewandter Biologie, wie z. B. Umwelt- und Naturschutz, nachhaltige Entwicklung, Sexualerziehung und Gentechnik erfordern häufig schwierig zu treffende Entscheidungen. Sind verschiedene Handlungsoptionen denkbar, muss diese Entscheidung im argumentativen Diskurs gefällt werden. Vollständige Argumente als Begründung von Handlungsoptionen (vgl. KC Deutsch Sek I) berühren die Sach- und Werteebene. Für Schülerinnen und Schüler ist es wichtig zu erkennen, dass Entscheidungen je nach Wertvorstellung variieren können (vgl. Kerncurriculum).

Der Zusammenhang von Struktur und Funktion ist in der Biologie besonders bedeutsam, da Lebewesen aufgrund ihrer Komplexität eine Vielzahl von Strukturen aufweisen, die ihr Überleben sichern. Dadurch steht das Basiskonzept Struktur und Funktion in engem Zusammenhang zum Konzept der Angepasstheit und zur Evolutionstheorie.
Im Sekundarbereich I lassen sich viele Funktionsweisen auf einige grundlegende Mechanismen zurückführen. Das gilt insbesondere für das Prinzip der Oberflächenvergrößerung und das Schlüssel-Schloss-Prinzip. In allen Fällen lassen sich modellhafte Bezüge zu Alltagsbeispielen herstellen. Insbesondere das Schlüssel-Schloss-Prinzip ist geeignet, Verfahren der Modellbildung zu thematisieren (vgl. Kerncurriculum).

Lebende Systeme weisen abgegrenzte Reaktionsräume auf. Dieses Basiskonzept verdeutlicht die Rolle des Bausteinprinzips von Zellen und Geweben, hilft aber auch beim Verständnis der Zellorganellen und Organe als abgegrenzte Funktionsräume innerhalb eines Organismus.
In den Schuljahrgängen 5 und 6 stehen unmittelbar erfahrbare Strukturen wie Körperteile und Organe im Mittelpunkt. Sie erlauben ein erstes Verständnis für die Gliederung von Organismen und damit für die Rolle der Kompartimentierung. In den Schuljahrgängen 7 und 8 erlauben mikroskopische Untersuchungen die Einführung der Zelltheorie. Dabei steht die Zelle als kleinste funktionsfähige Einheit eines Organismus im Mittelpunkt. In den Schuljahrgängen 9 und 10 erweitert sich dieser Aspekt um die prokaryotische Zelle (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen halten bestimmte Zustände durch Regulation aufrecht und reagieren auf Veränderungen. So wird bei wechselnden Umweltbedingungen Stabilität in einem physiologisch funktionsgerechten Rahmen (Sollwert) erreicht. Regelmechanismen sind durch Zirkularität und durch negative Rückkopplung charakterisiert. Dieses Basiskonzept wird im Sekundarbereich I lediglich vorbereitet; Aspekte wie Sollwert, negative Rückkopplung sowie die Abgrenzung zu ökologischen Rückwirkungseffekten bleiben dem Sekundarbereich II vorbehalten (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen sind offene Systeme, die durch Stoff- und Energieumwandlungen ihre Strukturen und Funktionen aufrechterhalten. Sie sind aufgrund der permanenten Energieabgabe instabile Systeme; diese Energieverluste werden durch ständige Energiezufuhr ausgeglichen. Letztlich sind fast alle Lebewesen dieser Erde auf die Zufuhr von Lichtenergie und auf die Fotosynthese angewiesen. Mit diesem Prozess sind Pflanzen in der Lage, ihre eigenen energiereichem Nährstoffe herzustellen. Die dabei chemisch gebundene Energie wird über die Nahrungskette auch auf tierische Organismen übertragen. Die biologische Oxidation (Zellatmung) ist der wichtigste Prozess der Energiebereitstellung für Bau- und Betriebsstoffwechsel.
Chemische Aspekte wie die Fixierung der Energie in Form von ATP bleiben dem Sekundarbereich II vorbehalten.
Der Energiebegriff wird in den Schuljahrgängen 5 und 6 vorsichtig auf der Basis des vorhandenen Alltagswissens eingesetzt. In den folgenden Schuljahrgängen kann der Biologieunterricht auf einen präziseren Energiebegriff zurückgreifen, der im Physikunterricht entwickelt wird.
Die Einführung von Stoffkreisläufen ermöglicht die Entwicklung eines grundlegenden Verständnisses der ökologischen Aspekte von Nachhaltigkeit (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen nehmen Informationen aus der Umwelt über Sinneszellen und Sinnesorgane auf, leiten diese in codierter Form über Nervenzellen weiter und verarbeiten sie. Diese Informationen sind weder objektiv noch vollständig: Die Ausstattung der Sinnesorgane und die Form der Verarbeitungen setzen deutliche Grenzen. Insofern können Lebewesen kein „wahres“ Abbild der Realität wahrnehmen. Die konzeptuellen Grundzüge können exemplarisch schon im Sekundarbereich I an einem Sinnesorgan erarbeitet werden.
Eine zweite Form der Informationsübertragung im Organismus stellen Hormone dar. Sie ermöglichen eine im Vergleich zur Nervenleitung zwar etwas langsamere, aber an viele Zielorte gerichtete Informationsübertragung. Im Sekundarbereich I erfolgt lediglich eine erste Einführung in die Rolle der Hormone (vgl. Kerncurriculum).

Die Kontinuität des Lebens besteht in der Generationsfolge, denn Lebewesen haben eine begrenzte Lebensdauer. Wachstums- und Regenerationsprozesse erfordern die identische Replikation der DNA und ermöglichen Kontinuität. Rekombination und Mutation führen zu Vielfalt und diese bildet die Grundlage evolutiver Prozesse.
Innerhalb des Sekundarbereichs I leisten die Betrachtungen der cytologischen bzw. chromosomalen Ebene (Mitose, Meiose) eine Vorbereitung für die molekulargenetischen Betrachtungen im Sekundarbereich II (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen sind bezüglich ihrer Strukturen und den damit verbundenen Funktionen an ihre spezifische Umwelt angepasst. Das Basiskonzept Struktur und Funktion beschreibt den innerorganismischen Zusammenhang, das Konzept der Angepasstheit betrifft die Beziehung von Bau und Funktion zur Umwelt als Ergebnis eines Evolutionsprozesses.
Als Anpassung versteht man Prozesse, die auf der Ebene des einzelnen Individuums (Modifikation) und auf der Ebene der Populationen (Evolutionsprozess) möglich sind.
Angepasstheit dagegen ist ein Zustand, bei dem eine Struktur und die damit verbundene Funktion das Überleben eines Organismus bzw. die Weitergabe dessen Genoms fördert. Variation kann als Phänomen schon anhand von Alltagserfahrungen in den Schuljahrgängen 5/6 eingeführt
werden. An einfachen Beispielen kann erarbeitet werden, dass durch Selektion die Variation von Populationen verändert wird. Damit wird die Annahme einer zielgerichteten Veränderung von Arten überflüssig. Durch die Einführung von Mutation und Rekombination als Grundlagen der Variabilität wird eine vereinfachte Evolutionstheorie bis zum Ende des Sekundarbereiches I entwickelt (vgl. Kerncurriculum).

Die historische Dimension ist innerhalb der Naturwissenschaften eine Be-sonderheit der Biologie. Sie umfasst die Geschichte der Individuen wie auch der Populationen über die Generationsschranke hinweg.
Die Erkenntnis der Verwandtschaft von Lebewesen ist grundlegend für das Selbstverständnis des Menschen. Die Tatsache, dass der Mensch mit allen Lebewesen eine gemeinsame Geschichte teilt und fortsetzt, kann auch den Naturschutzgedanken unterstützen (vgl. Kerncurriculum).

Der Biologieunterricht ist an den Prinzipien von Wissenschaftspropädeutik ausgerichtet. Problemorientierter Unterricht in der Einführungsphase und Qualifikationsphase erweitert kontinuierlich und kumulativ die von den Schülerinnen und Schülern im Sekundarbereich I erworbenen Fähigkeiten, biologische Fragen als solche zu erkennen und mit geeigneten fachspezifischen Verfahren zu lösen. Dabei geht es im Wesentlichen um den Umgang mit Problemlösestrategien, fachspezifische Arbeitstechniken, z. B. das Mikroskopieren oder die PCR, und die Reflexion von Möglichkeiten und Grenzen wissenschaftlicher Erkenntnisgewinnung. Letzteres wird besonders bei der Auseinandersetzung mit historischen Experimenten und Modellvorstellungen deutlich (vgl. Kerncurriculum).

Unterrichtliches und alltägliches Handeln setzt die Fähigkeit zur Kommunikation voraus.
Die Lernenden tragen ihre individuellen Alltagsvorstellungen in den Fachunterricht hinein und umgekehrt fachliche Konzepte und Fachsprache in die Alltagssprache zurück. Dadurch erreichen Schülerinnen und Schüler eine Diskursfähigkeit über Themen der Biologie, einschließlich solcher, die von Gesellschafts- und Alltagsrelevanz sind.
Zum Kommunizieren im Fach Biologie werden vielfältige Texte und andere Informationsträger verwendet, wie etwa Bilder, Grafiken, Tabellen, fachliche Symbole, Formeln, Gleichungen und Graphen. Schülerinnen und Schüler erfassen den Informationsgehalt der verschiedenen Träger, beziehen sie aufeinander und verarbeiten sie.
Im Biologieunterricht müssen die Schülerinnen und Schüler dazu einen sicheren Umgang mit der Fachsprache entwickeln. Dies geschieht z. B. bei der Diskussion in Gruppen, wenn es um das Verständnis und die Anwendung naturwissenschaftlicher Fachbegriffe, Erkenntnisse und Untersuchungen geht. Formen von Kommunikation sind einerseits direkter Lerngegenstand, andererseits Mittel im Lernprozess. Erkenntnisgewinn und fachbezogener Spracherwerb bedingen sich daher gegenseitig.
Der schlüssigen und strukturierten sprachlichen Darstellung sowie der eigenen Stellungnahme in mündlicher und schriftlicher Form kommt eine große Bedeutung zu.
Die Dokumentation und Präsentation von Ergebnissen soll mit einem angemessenen Medieneinsatz unterstützt werden. Dazu gehört insbesondere auch der Einsatz multimedialer Präsentationstechniken (vgl. Kerncurriculum).

Biologische Erkenntnisse erlangen zunehmend Bedeutung in anwendungsbezogenen und Disziplin übergreifenden Zusammenhängen. Das erfordert einen gesellschaftlichen Diskurs, an dessen Ende Entscheidungen stehen. Die damit verbundenen Chancen und Risiken betreffen das Individuum und die Gesellschaft auf lokaler oder globaler Ebene, aber auch künftige Generationen. Den Entscheidun- gen sollte die Bewertung von Handlungsoptionen vorausgehen.
Im Unterschied zum evidenzbasierten Bewerten von Hypothesen beim Experimentieren wird an dieser Stelle vom Bewerten im Sinne des moralischen Urteils und eines Umgangs mit faktischer und ethischer Komplexität gesprochen. Bewertungskompetenz bezieht sich im Biologieunterricht zum einen auf umweltverträgliches und reflektiertes Handeln im Sinne einer Bildung für nachhaltige Entwicklung, zum anderen auf den Bereich der Bioethik, der die kritische Beurteilung moderner biotechnologischer und biomedizinischer Verfahren zum Inhalt hat. Da es sich um Fragestellungen handelt, die im Über- schneidungsbereich von fachlichen Inhalten und gesellschaftlichen Werten und Normen liegen, können diese nicht allein durch logisches Schlussfolgern, komplexes Problemlösen oder vernetztes Denken beantwortet werden. Im Zentrum von Bewertungskompetenz steht daher die Befähigung zu einer bewussten, reflektierten, kritischen und argumentativ fundierten Meinungsbildung (vgl. Kerncurriculum).

Der Zusammenhang von Struktur und Funktion ist in der Biologie besonders bedeutsam und auf allen Systemebenen zu finden, da Lebewesen aufgrund ihrer Komplexität eine Vielzahl von Strukturen auf- weisen, die ihr Überleben sichern. Die Verschränkung von Struktur und Funktion wird in der Qualifikationsphase neben der makroskopischen Ebene vertiefend auf der zellulären und molekularen Ebene betrachtet. Die Strukturen werden auf molekularer Ebene jedoch soweit schematisch dargestellt, dass auf chemische Strukturformeln verzichtet werden kann (vgl. Kerncurriculum).

Lebende Systeme weisen abgegrenzte Reaktionsräume (Kompartimente) auf. Dieses Basiskonzept hilft beim Verständnis der Zellorganellen und Organe als abgegrenzte Funktionsräume innerhalb eines Organismus. Bei den unten formulierten Kompetenzen wird der Fokus weitgehend auf die durch Membranen abgegrenzten Reaktionsräume gerichtet. Durch diese Abgrenzung wird es möglich, dass unterschiedliche Stoffwechselprozesse in derselben Zelle gleichzeitig stattfinden können.
In der Qualifikationsphase trägt die Auseinandersetzung mit diesem Basiskonzept zum Verständnis der besonderen Bedeutung von Biomembranen und verschiedenen Transportmechanismen bei einer Vielzahl von Prozessen bei, z. B. bei der chemiosmotischen ATP-Bildung oder der Entstehung und Weiterleitung elektrischer Potenziale.
Kompartimentierung findet auch auf der Ebene von Ökosystemen statt. Diese wird vor allem in der typischen Struktur des jeweiligen Ökosystems deutlich, worauf der Unterricht explizit eingehen muss (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen stehen als offene Systeme in einer geregelten, selbsterhaltenden Beziehung zum System ihrer Umwelt. Die stabilisierende Regulation der internen Bedingungen gegenüber äußeren Einflüssen (Homöostase) war eine Voraussetzung für die Entstehung des Lebens und ist auch heute noch eine Bedingung für seinen Bestand. Auf allen Organisationsebenen sind Wirkung und Rückwirkung zwischen den Elementen lebender Systeme zu beobachten.
Auf stoffwechselbiologischer Ebene wird dies z. B. bei kompetitiven und allosterischen Wirkungen bei Enzymen zur Regulation von Stoffwechselwegen deutlich (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen sind aufgrund der permanenten Energieabgabe darauf angewiesen, diese durch ständige Energiezufuhr auszugleichen. Letztlich sind fast alle Lebewesen dieser Erde auf die Zufuhr von Licht- energie und auf die Fotosynthese angewiesen. Durch diesen Prozess sind Pflanzen in der Lage, ihre eigenen energiereichen Nährstoffe herzustellen. Die dabei chemisch gebundene Energie wird über Nahrungsketten und Nahrungsnetze auch auf tierische Organismen übertragen. Die Thematisierung von Stoffkreisläufen ermöglicht darüber hinaus die Entwicklung eines tieferen Verständnisses der ökologischen Aspekte von Nachhaltigkeit (vgl. Kerncurriculum).

Informationsaufnahme, -weiterleitung, -verarbeitung und -speicherung werden bei höheren Organismen von komplexen Systemen übernommen. Kommunikation stellt hierbei die wechselseitige Informationsübertragung dar, die auf allen Systemebenen lebender Organismen stattfindet. Dieses Basiskonzept hilft beim Verständnis der neuronalen und hormonellen Vorgänge im Körper sowie der Speicherung von Informationen in verschiedenen Systemen (vgl. Kerncurriculum).

Die Kontinuität des Lebens besteht in der Generationsfolge, denn Lebewesen haben eine begrenzte Lebensdauer. Wachstums- und Regenerationsprozesse erfordern differenzielle Genaktivität. Darunter versteht man, dass in Zellen mit gleichem Genom verschiedene Gene aktiv sind. Differenzielle Genaktivität steht in engem Zusammenhang mit der Entwicklung spezialisierter Zellen, der Zelldifferenzierung. Die Regulation der Genaktivität wird im Rahmen des Basiskonzepts „Steuerung und Regelung“ vertieft (vgl. Kerncurriculum).

Lebewesen sind durch Bau und Funktion an ihre Umwelt angepasst. Angepasstheit wird durch Varia- bilität ermöglicht. Grundlage von Variabilität sind Mutation, Rekombination und Modifikation. Der Zustand der Angepasstheit ist vom Prozess der Anpassung abzugrenzen. Um ein tiefer gehendes Verständnis von Angepasstheit zu erreichen, ist eine Betrachtung auf den verschiedenen Ebenen bis hin zur molekularen Ebene erforderlich (vgl. Kerncurriculum).

Biologische Systeme verändern sich auf allen Systemebenen mit der Zeit. Gemäß der Evolutionstheorie sind Lebewesen in unterschiedlichem Grad miteinander verwandt. Als Belege für stammesgeschichtliche Verwandtschaft werden anatomisch-morphologische Befunde sowie molekularbiologische Untersuchungen herangezogen. Die Geschichtlichkeit und das „So-Geworden-Sein“ biologischer Systeme ermöglichen eine zusammenhängende Sicht auf viele Einzelphänomene des Biologieunterrichts. Die Reflexion über die Menschwerdung liefert dabei einen grundlegenden Beitrag zum Menschenbild und zum menschlichen Selbstverständnis. Das Basiskonzept „Geschichte und Verwandtschaft“ weist vielfältige Bezüge zu allen anderen Basiskonzepten auf und ist eine Grundlage für ultimate Betrachtungen und Erklärungsansätze (vgl. Kerncurriculum).